DE69015355T2

DE69015355T2 - Steuersystem für die steuerung der aufhängung eines landfahrzeuges.

Info

Publication number: DE69015355T2
Application number: DE69015355T
Authority: DE
Inventors: John Davis; David Williams; Peter Wright
Original assignee: Group Lotus PLC
Current assignee: Group Lotus PLC
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1990-04-24
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-04-25
Also published as: WO1990012700A3; EP0470166A1; EP0470166B1; CA2053225A1; US5217246A; JPH04504701A; ES2069074T3; GB8909299D0; DE69015355D1; WO1990012700A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zur Steuerung des Aufhängungssystems für eines Landfahrzeugs, insbesondere eines Motorfahrzeugs. Mit "Landfahrzeug" sind alle Klassen van Fahrzeugen gemeint, die in der Lage sind, sich mittels Motorkraft auf dem Land zu bewegen, einschließlich Automobile, Motorräder, Traktoren und Sattelschlepper.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Steuersystem zur Steuerung eines Motorfahrzeuges mit einem aktiven Aufhängungssystem.
Ein aktives Aufhängungssystem ist ein Aufhängungssystem für ein Motorfahrzeug, bei welchem die herkömmlichen Aufhängungskomponenten, wie Federn und Stoßdämpfer, durch Stellglieder unterstützt oder ersetzt werden, um die Lage des Fahrzeuges in Reaktion auf Kommandosignale von einem Mikroprozessor zu korrigieren, zu ändern oder zu steuern. Der Zweck derartiger aktiver Aufhängungssysteme ist es, die Schwankungen der Kräfte, die auf den Fahrzeugkörper wirken, zu minimieren, wodurch Fahrzeugsicherheit und Fahrkomfort für den Fahrer und die Fahrgäste erhöht werden.
Die Kommandosignale werden aus den Meßwerten einer Anzahl von Variablen gewonnen, die ein Maß für die Lage des Fahrzeuges darstellen. Ein echtes aktives Aufhängungssystem kann nicht nur in Reaktion auf vorher gemessene Änderungen der Variablenwerte Stellglieder betätigen, sondern zum Beispiel auch in gewisser Hinsicht die Lage des Fahrzeuges zum Zwecke des Ausgleichs der Wirkungen von stationären oder dynamischen Belastungen berücksichtigen; und es kann sogar die Stellglieder vorausschauend entsprechend den zu erwartetenden Straßenbedingungen betätigen.
Aktive Aufhängungssysteme sind allgemein bekannt. Zum Beispiel offenbart die Europäische Patentanmeldung Nr. EP-A- 0114757 ein aktives Aufhängungssystem für ein Vierradmotorfahrzeug, bei welchem Kraftmeßwerte in den Punkten der Aufhängung des Fahrzeugkörpers an jeder Rad/Radnaben-Anordnung ermittelt und so verarbeitet werden, daß das Stellglied, das zwischen der entsprechenden Rad/Radnabenanordnung und dem Fahrzeugkörper befestigt ist, die erforderliche Stellgröße erzeugt.
Es ist ein Steuersystem zur Steuerung der Lage eines Motorfahrzeuges mit einem aktiven Aufhängungssystem bekannt, das Mittel zur Umwandlung der an den Punkten der Aufhängung des Fahrzeugkörpers oder der Rad-/Radnaben-Anordnungen gemessenen Kräfte in einen Satz von Modalkräften enthält, welche im Verhältnis zu den Rad-/Radnaben-Anordnungen auf den Fahrzeugkörper als Ganzes wirken. Daraus lassen sich die Stellgrößen berechnen, die erforderlich sind, um den kombinierten Modalkräften entgegenzuwirken und die gewünschte Lage des Fahrzeuges beizubehalten. Modalkräfte sind die Hebe-/Senk-, Nick-, Roll- und Verwindungskräfte.
Ein ausschlaggebender Vorteil eines derartigen aktiven Aufhängungssystems besteht darin, daß die Aufhängungseigenschaften des Fahrzeuges kontinuierlich verändert werden können, um wechselnden Straßenverhältnissen und/oder Betriebsbedingungen des Fahrzeuges Rechnung zu tragen. Diese Möglichkeit erlaubt die Konstruktion eines Fahrzeuges mit verbesserten Sicherheitseigenschaften, da die Fahrzeugreifen einen besseren Bodenkontakt halten können, und das Verhalten des Fahrzeuges ist wahrscheinlich für den Fahrer leichter vorhersehbar als in dem Fall, daß das Fahrzeug kein aktives Aufhängungssystem besitzt.
Ein Nachteil des aktiven Aufhängungssystem, welches die an den Aufhängungepunkten des Fahrzeugkörpers an jeder Rad/Radnaben-Anordnung gemessenen Kräfte in Modalkräfte zerlegt, besteht jedoch darin, daß die resultierenden Modalkraftwerte nicht genau die Größe der Nettokräfte widerspiegeln, denen der Fahrzeugkörper durch die Einflußgrößen von der Straße ausgesetzt ist. (Mit "Einflußgrößen der Straße" ist die Kraftwirkung auf das Fahrzeug gemeint, wenn es über Unebenheiten der Straßenoberfläche fährt, wobei diese Unebenheiten zum Beispiel Erhebungen und Vertiefungen sind.)
Die gegenwärtig verfügbaren Aufhängungssysteme besitzen eine ungenügende Genauigkeit, da sie nicht alle Kräfte berücksichtigen, die von den ungefederten Massen des Fahrzeuges, den Rad-/Radnaben-Anordnungen, auf die gefederte Masse des Fahrzeuges, das Chassis oder den Fahrzeugkörper, übertragen werden. Die praktisch in Fahrzeugen verwendete Aufhängungs-Gestängeanordnung überträgt die Kräfte von den ungefederten Massen über eine Vielzahl von Kraftwegen auf die gefederte Masse. Bis jetzt haben aktive Aufhängungssysteme nur solche Kräfte berücksichtigt, die sich messen lassen, das heißt die auf das Stellglied und die Federanordnung wirkenden Kräfte.
Das Dokument WO-A-8900512, das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, offenbart ein Aufhängungssteuersystem für Fahrzeuge, bei welchem die Kräfte, die von einem Stellglied auf den Fahrzeugkörper übertragen werden, gemessen werden, und die Kräfte, die von der parallel zum Stellglied wirkenden Feder übertragen werden, zwar nicht gemessen, jedoch berücksichtigt werden, indem aus der gemessenen Verschiebung eine Kraft berechnet wird. Das System entsprechend WO-A-8900512 läßt jedoch die Kräfte außer Betracht, die über Kraftwege im Aufhängungsgestänge übertragen werden, über das gewöhnlich ein Rad mit dem Fahrzeugkörper verbunden ist (z.B. Schwingarme). Es ist praktisch nicht möglich, ein Aufhängungsgestänge so zu bauen, daß alle Kräfte nur über das Stellglied beziehungsweise nur über das Stellglied und die parallel dazu angeordnete Feder laufen. In realen Systemen werden Kräfte auch durch das Aufhängungsgestänge selbst übertragen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Steuersystem für ein solches Aufhängungssystem eines Landfahrzeuges, bei dem das Aufhängungssystem ein zwischen der gefederten Masse des Fahrzeuges und mindestens einer ungefederten Masse des Fahrzeuges angeordnet es Aufhängungsgestänge sowie eine Stellgliedeinrichtung enthält, die zwischen der gefederten. Massse und der ungefederten Masse wirkt, wobei das Steuersystem umfaßt:
Mittel zum Messen der von der Stellgliedeinrichtung auf das Fahrzeug übertragenen Kräfte und zur Gewinnung von Kraftmeßsignalen, die den gemessenen Kraftwerten proportional sind;
Mittel zum Modifizieren der Kraftmeßsignale zwecks Berücksichtigung von ungemessenen Kräften, die zwischen der gefederten Masse und der ungefederten Masse über Kraftwege wirken, auf denen keine Mittel zum Messen der durch die Stellgliedeinrichtung übertragenen Kräfte liegen; und
Mittel zum Steuern der Stelleinrichtung, so daß sie Kräfte erzeugt, mit denen die Lage des Fahrzeuges in Abhängigkeit von den modifizierten Signalen gesteuert wird;
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Modifizieren der Kraftmeßsignale die Kraftmeßsignale derart modifizieren, daß ungemessene Kräfte, die über Kraftwege in dem Aufhängungsgestänge wirken, berücksichtigt werden.
Es folgt nun die Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, von denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungen von Hebe-/Senkkräften auf den Körper eines Motorfahrzeuges zeigt, das kein aktives Aufhängungssystem besitzt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Wirkungen von Neigungskräf ten auf den Körper eines Motorfahrzeuges zeigt, das kein aktives Aufhängungssystem besitzt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Wirkungen von Rollkräften auf den Körper eines Motorfahrzeuges zeigt, das kein aktives Aufhängungssystem besitzt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise von Verwindungskräften auf den Körper eines Motorfahrzeuges zeigt, das kein aktives Aufhängungssystem besitzt;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Teils des Steuersystems entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen zeigen schematisch eine gefederte Masse in Form eines Fahrzeugkörpers 20 eines Motorfahrzeuges mit vier zugehörenden ungefederten Massen, d.h. vier Rädern 11, 12, 13, 14, und jeweils ein sie verbindendes Aufhängungssystem (nicht gezeigt) für jedes Rad. Der Fahrzeugkörper 20 umfaßt den Motor, das Getriebe und alle sonstigen Bestandteile des Motorfahrzeuges. Die Motorfahrzeuge, die in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellt sind, veranschaulichen das Verhalten bekannter Fahrzeuge, die kein Steuersystem entsprechend der vorliegenden Erfindung besitzen.
Die Fig. 1 bis 4 sind schematische Darstellungen typischer Lageänderungen des Fahrzeugkörpers 20, die durch die Hebe/Senk-, Nick-, Roll- beziehungsweise Verwindungskräfte verursacht werden. In den Figuren 1 bis 4 ist die Numerierung so vereinbart, daß das linke Vorderrad des Fahrzeuges mit 11 bezeichnet wird, das rechte Vorderrad mit 12, und so weiter bis zum rechten Hinterrad, das mit 14 bezeichnet ist; und die Hebe-/Senk-, Nick-, Roll- beziehungsweise Verwindungskräfte sind in den entsprechenden Zeichnungen mit den Pfeilen H, P, R und W bezeichnet. Die in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Modalkräfte sind gemäß Vorzeichenübereinkunft in positiver Richtung wirkend dargestellt. Die Vorderseite des Fahrzeuges ist generell mit der Bezugzahl 21 gekennzeichnet.
Die Modalkraft des Hebens/Senkens in Figur 1 ist eine in allen vier Aufhängungspunkten des Fahrzeugkörpers gleiche nach unten gerichtete Kraft. Der Fahrzeugkörper 20 bewegt sich deshalb unter dem Einfluß einer positiven Hebe/Senkkraft gleichförmig nach unten, ohne in irgendeine Richtung zu verkanten.
In Figur 2 sind positive modale Nickkräfte dargestellt, und es ist erkennbar, daß eine positive modale Nickkraft, die auf den Fahrzeugkörper einwirkt, das Vorderteil 21 des Fahrzeugkörpers nach unten zu verlagern trachtet, ohne daß er sich seitlich neigt, wobei das Hinterteil 22 des Fahrzeuges aus seiner Ursprungslage nach oben verlagert wird.
Die in Figur 3 gezeigte modale Rollkraft verursacht eine Neigung des Fahrzeugkörpers um seine Längsachse. Positive Rollkräfte trachten deshalb danach, die linke Seite des Fahrzeugkörpers 20 nach unten und seine rechte Seite nach oben zu verlagern.
Figur 4 zeigt die Wirkung einer positiven Verwindungskraft auf den Fahrzeugkörper. Eine Verwindungskraft führt bei einem im allgemeinen rechteckigen Fahrzeugkörper dazu, daß sich das eine Paar diagonal gegenüberliegender Ecken des Fahrzeugkörpers nach unten und das andere Paar nach oben verlagert. Entsprechend der hier verwendeten Vorzeichenübereinkunft verlagern sich bei positiven Werten der Verwindungskräf te die vordere linke und die hintere rechte Ecke des aktiven Aufhängungssystems des Fahrzeuges nach unten.
Es ist für die Analyse hilfreich, die auf den Fahrzeugkörper ausgeübten Kräfte, welche in modale Kräfte zerlegt werden können, in drei Katagorien einzuteilen.
Die stationären Kräfte des Fahrzeuges stellen die Gegenkräfte dar, die im Ruhezustand des Fhrzeuges erforderlich sind, um die Masse des Fahrzeuges und seine Ladungs/Passagierlast zu tragen.
Statische Kräfte am bewegten Fahrzeug sind solche, die durch die Werte der Variablen der Fahrzeugbewegung, wie etwa des Lenkwinkels, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugbeschleunigung und dergleichen verursacht werden.
Dynamische Kräfte, die auf das Fahrzeug einwirken, ergeben sich aus der Bewegung der Rad/Radnabenanordnungenl also der ungefederten Massen, wenn Erhebungen, Vertiefungen und dergleichen in der Straße überfahren werden. Beim Entwurf eines aktiven Aufhängungssystems ist es notwendig, die stationären Kräfte so auszugleichen, daß das Aufhängungssystem durch die stationären Kräfte nicht ausgelenkt wird, sondern allein auf die Einflußgrößen von der Straße reagiert. Eine Ausnahme davon kann der Wunsch sein, daß das Aufhängungssystem den Kräften entgegenwirkt, die infolge des Kurvenfahrens auf das Fahrzeug aufgebracht werden, mit dem Ziel, die Lage des Fahrzeuges während des Kurvenfahrens so zu korrigieren, daß sich die Straßenlage verbessert.
Die dynamischen Kräfte auf das Fahrzeug werden durch die "Einflußgrößen von der Straße" verursacht, welche der Fahrer des Fahrzeuges nicht voraussehen kann. Derartige dynamische Kräfte treten zum Beispiel auf, wenn eine Seitenwindbö das Fahrzeug beeinflußt oder wenn ein Rad des Fahrzeuges über eine Erhebung auf der Straßenoberfläche fährt.
In Fig. 5 wird eine schematische Darstellung des Steuersystems entsprechend der Erfindung gezeigt.
Die Anordnung nach Figur 5 entspricht einem Viertel des Steuersystems für ein Vierradfahrzeug, es ist nur eine ungefederte Masse in Form einer Rad/Radnabenanordnung dargestellt, wobei das System für die übrigen drei ungefederten Massen das gleiche ist.
Fig. 5 zeigt die gefederte Masse des Fahrzeuges in Form des Fahrzeugkörpers 20, abgestützt von einer Anzahl Aufhängungskomponenten, die unter der Bezugszahl 30 zusammengefaßt sind und sich ihrerseits auf ein Rad und einen Reifen stützen, die als ungefederte Masse 40 in Form einer Rad/Radnabenanordnung dargestellt sind, befestigt an einer Feder 41 und einem Stoßdämpfer 42, durch die die Reifeneigenschaften nachgebildet werden.
Die Aufhängungskomponenten 30 enthalten Mittel für das Aufbringen von Kräften zur Steuerung der Fahrzeuglage in Form eines hydraulischen Stellgliedes 31, das in vertikaler Lage dargestellt ist, und dessen oberes Ende an einer Kraftmeßdose 32 anliegt, die vom Fahrzeugkörper 20 durch einen Tso-Iator 33, zum Beispiel einen Gummiblock, getrennt ist. Das Stellglied 31 muß nicht unbedingt vertikal gerichtet sein, je nach dem Platz, der für die Aufhängungskomponenten verfügbar ist, und der ausgewählten Aufhängungskonstruktion. Die Kraftmeßdose 32 ist in der Lage, zu mindest einen Teil der Kräfte zu messen, die zwischen der Rad/Radnabenanordnung und dem Fahrzeugkörper wirken, und ein Signal zu erzeugen, das den Kräften proportional ist. Parallel zum hydraulischen Stellglied 31 ist eine Feder 34 eingezeichnet.
Die Feder 34 steuert die Lage des Fahrzeuges nicht in der Weise wie bei einem Fahrzeug mit herkömmlichem Aufhängungs- System. Die Straßenfeder 34 dient lediglich dazu, den Leistungsverbrauch des Steuersytems entsprechend der Erfindung zu reduzieren, indem sie einen beträchtlichen Teil der statischen Belastung des Fahrzeugkörpers 20 aufnimmt.
Auf diese Weise kann das Stellglied 31 seine Funktion über einen weiten Verstellbereich ausüben, um tatsächlich das Fahrzeug zu steuern, ohne den erheblichen Leistungsverbrauch, der normalerweise erforderlich wäre, wenn das Stellglied zusätzlich zur Steuerung des stationären Zustandes und der dynamischen Belastungen, die sich aus den auf das Fahrzeug wirkenden dynamischen und stationären Kräften ergeben, die statische Last des Fahrzeugkörpers 20 tragen müßte.
Da sich der Leistungsverbrauch des Stellgliedes 31 durch die Verwendung der Feder 34 reduziert, kann sein Kolbenquerschnitt verhältnismäßig klein gestaltet werden, wodurch eine kompakte Anordnung erzeugt wird. Außerdem dient die Feder 34 als Sicherheitsvorrichtung, indem sie bei einem Totalausfall des erfindungsgemäßen Steuersystems die statische Last des Fahrzeugkörpers 20 aufnimmt.
Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des hydraulischen Stellgliedes 31 sind über Hydraulikrohrleitungen 3la und 31b mit einer Hydrauliksteuerschaltung 50 einschließlich einer geeigneten Speisepumpe 51 verbunden. Die Hydraulikschaltung 50 wird über die elektrische Verbindung 50' von dem Mikroprozessor 60 gesteuert, welcher in Reaktion auf eine Anzahl gemessener Eingangssignale einen Soll-Stellwert für das Stellglied 31 errechnet.
Die Eingänge des Mikroprozessors 60 sind wie folgt angeschlossen:
Leitung 61' überträgt das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 61, der die Vertikalbeschleunigung der ungefederten Masse 40 mißt;
Leitung 62' überträgt das Ausgangssignal des linear veränderlichen Differentialtransformators (LVIT) 62, der die Verschiebung des Stellgliedes 31 mißt;
Leitung 63' überträgt das Ausgangssignal der Kraftmeßdose 32, welche die Kraft mißt, die über die Aufhängungskomponenten 30 auf die gefederte Masse 20 übertragen wird;
Leitung 64' überträgt das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 64, der in der Nähe des Schwerpunktes der gefederten Masse angeordnet ist und die Längsbeschleunigung der gefederten Masse mißt;
Leitung 65' überträgt das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 65, der in der Nähe des Schwerpunktes der gefederten Masse angeordnet ist und die seitliche Querbeschleunigung der gefederten Masse mißt;
Leitung 66' überträgt das Ausgangssignal des Gyroskops 66, das in der Nähe des Schwerpunktes der gefederten Masse angeordnet ist und die Gierrate (das heißt die Drehbeschleunigung) der gefederten Masse mißt;
Leitung 67' überträgt das Signal der Fahrzeuggeschwindigkeit von einer (nicht dargestellten) Meßeinrichtung;
Leitung 68' überträgt ein Lenkstangenverschiebungssignal von einer (nicht dargestellten) Meßeinrichtung;
Leitung 69' überträgt ein Signal für den Druck im Hydrauliksystem von einer (nicht dargestellten) Meßeinrichtung; und
Leitung 70' überträgt ein Signal für den Winkel der Taumelscheibe von einer (nicht dargestellten) Meßeinrichtung, die in der Pumpe 51 angeordnet ist.
Die Kraftmeßdose 32 mißt die resultierende Kraft, die zwischen dem oberen Ende des Stellgliedes 31 und und dem Fahrzeugkörper 20 wirkt. Diese Kraft ist folglich ein Maß für die Einflußgröße der Straße auf das Fahrzeug, da die Kraft, die auf ein Fahrzeugrad beim Überfahren einer Erhebung oder einer Vertiefung auf der Straße einwirkt, mindestens teilweise über die Kraftmeßdose 32 auf den Fahrzeugkörper übertragen wird. Die durch die Kraftmeßdose 32 gemessene Kraft enthält im allgemeinen jedoch störende Kraftmeßwerte, welche für den Prozeß nicht erforderlich sind, dagegen keinen Beitrag von den Elementen der beim Überfahren einer Erhebung oder Vertiefung auf ein Rad wirkenden Kraft, die über parallele Kraftwege, die nicht über die Kraf tmeßdose 32 laufen, auf den Fahrzeugkörper übertragen werden.
Figur 5 zeigt eine Kraftmeßdose 32, welche die Kräfte mißt, die sowohl von dem Stellglied 31 als auch über die Feder 34 auf den Fahrzeugkörper übertragen werden. Die Anmelder stellen sich jedoch ein System vor, bei dem die Kraftmeßdose 32 nur die Kraft mißt, die vom Stellglied 31 auf den Fahrzeugkörper übertragen wird, und nicht die Kraft, die von der Feder 34 übertragen wird. Die Kraft, die von der Feder auf den Fahrzeugkörper übertragen wird, läßt sich aus der Verschiebung des Stellgliedes 31 berechnen, die durch den LVIT 62 gemessen wird.
Der Mikroprozessor 60 entsprechend Figur 5 ist imstande, die von einer Anzahl Kraftmeßdosen 32 gemessenen Kräfte in eine Vielzahl von auf den Fahrzeugkörper wirkenden Modalkräften aufzulösen, die den oben beschriebenen Arten der Fahrzeugverlagerung entsprechen. Es versteht sich, daß im Fall eines Vierradfahrzeuges die Anzahl der gemessenen Kräfte an den Kraftmeßdosen 32, die der jeweiligen Rad/Radnabenanordnung zugeordnet sind, vier beträgt.
Während der Entwicklung der Erfindung hat sich herausgestellt, daß dann, wenn die aus den oben gemessenen Kraftmeßwerten berechneten Modalkräfte zur Steuerung der Lage des Fahrzeuges verwendet werden, eine genaue Steuerung innerhalb annehmbarer Grenzen nicht möglich ist. Deshalb muß die dynamische Kraft auf den Fahrzeugkörper, die durch die Beschleunigung der Rad/Radnabenanordnung entsteht, ebenfalls berücksichtigt werden, und das geschieht durch Multiplikation des Beschleunigungsmeßwertes an der Rad/Radnabenanordnung 40 mit einem Masseterm.
Die modale Hebe-/Senkkraft wird deshalb zum Beispiel durch die folgende Funktion berechnet:
Hf = 8 / (65536)² [IVrfH*{65536 (F1+F2)+MMF*(DDXu1+DDXu2)}+ IVrrH*{65536(F3+F4)+MMr*(DDXu3+DDXu4)}] ... (1)
wobei:
Hf = die generalisierte Hebe-/Senkkraft
IVrfH = das invertierte Hebe-/Senkkraft-Geschwindigkeits- Verhältnis an der Vorderseite
IVrrH = das invertierte Hebe-/Senkkraft-Geschwindigkeits-Verhältnis an der Hinterseite
F1 ... F4 = die gemessenen Hebe-/Senkkräfte MMF = den Beschleunigungsfaktor der ungefederten Masse (vorne)
MMr = den Beschleunigungsfaktor der ungefederten Masse (hinten)
DDXu1 ... DDXu4 = die gemessenen Beschleunigungen der ungefederten Massen darstellen.
Das Berechnungsverfahren für die Modalkraft ändert sich in Abhängigkeit davon, ob sich die in den Ecken gemessenen Kräfte für jede Modalkraft positiv oder negativ überlagern.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Fall der modalen Hebe/Senkkraft überlagern sich alle stationären und dynamischen Kräfte positiv miteinander, so daß überall in Gleichung (1) die Additionsausdrücke gelten.
Zunächst wird der Beitrag der Einflußgröße von der Straße zur Hebe-/Senkkraft ermittelt, indem die Summen für die entsprechenden Paare der stationären Kräfte (F1 + F2) und (F3 + F4), die von der entsprechenden Kraf tmeßdose an jedem Aufhängungspunkt des Fahrzeugkörpers gemessen wurden, gebildet werden. Diese Summen werden dann je über einen gemeinsamen Faktor, 65536, gewichtet.
Die dynamischen Kräfte werden ebenfalls paarweise aus den Werten (DDXu1 + DDXu2) und (DDXu3 + DDXu4) berechnet, die die vorderen und hinteren Rad/Radnabenanordnungbeschleunigungen verkörpern. Die vordere Summe wird dann mit dem Beschleunigungsfaktor für die vordere Masse (MMF) multipliziert, um einen vorderen Kraftwert zu ermitteln, und die hintere Summe mit dem Beschleunigungsfaktor für die hintere Masse (MMR), um einen hinteren Kraf twert zu gewinnen.
Die vorderen Kräfte werden dann summiert und mit einem Proportionalitätsfaktor (IVrfH) multipliziert, der dem Anteil an der Hebe-/Senkkraft entspricht, welcher dem Vorderteil des Fahrzeuges zuzurechnen ist. Die hinteren Kräfte werden in gleicher Weise summiert und mit einem Proportionalitätsfaktor (IVrrH) multipliziert, der dem Anteil an der Hebe/Senkkraft entspricht, welche dem Hinterteil des Fahrzeuges zuzurechnen ist.
Da das Herausrechnen der Mebe-/Senkkraft durch den Mikroprozessor 60 erfolgt und die Faktoren MMF, MMr, IVrFH und IVrrH keine Meßwerte sind, lassen sich ihre Werte selbstverständlich unter Verwendung eines geeigneten Eingabemittels (nicht gezeigt) für den Mikroprozessor 60 verändern.
Eine Veränderung der oben aufgelisteten vier Parameter, beeinflußt deshalb den berechneten Wert der Hebe-/Senkkraft, und man kann daher mit ihrer Hilfe die Reaktion des Steuersystems an bestimmte Belastungsverhältnisse anpassen.
Die restlichen drei Modalkräfte, nämlich des Nickens, des Rollens und der Verwindung, werden durch den Mikroprozessor 60 mit Hilfe der folgenden Ausdrücke isoliert:
Für das Nicken: Pf = 8 / (65536)²[IVrfP*{65536(F1+F2)+MMF*(DDXu1+DDxu2)} - IVrrP*{65536(F3+F4)+MMr*(DDXu3+DDXu4)}] ... (2)
Für das Rollen:
Rf = 8 / (65536)²[IVrfR*{65536(F1-F2)+MMF*(DDXu1-DDXu2)} + IVrrR*{65536(F3-F4)+MMr*(DDxu3-DDxu4 }] ... (3)
Für das Verwinden:
Wf = 8 / (65536)²[IVrfW*{65536(F1-F2)+MMF*(DDXu1-DDu2)} - IVrrW*{65536(F3-F4)+MMr*(DDxu3-DDxu4)}] ... (4)
Wobei
Pf = die generalisierte Nickkraft
IVrf P = das invertierte Nickkraft-Geschwindigkeits- Verhältnis (vorne)
IVrrP = das invertierte Nickkraft-Geschwindigkeits- Verhältnis (hinten)
Rf = die generalisierte Rollkraft IVrFR das invertierte Rollkraft-Geschwindigkeits- Verhältnis (vorne)
IVrRR = das invertierte Rollkraft-Geschwindigkeits- Verhältnis (hinten)
Wf = die generalisierte Verwindungskraft
IVrFW = das invertierte Verwindungskraft-Geschwindig- keits-Verhältnis (vorne)
IVrrW = das invertierte Verwindungskraft-Geschwindig- keits-Verhältnis (hinten) darstellen.
Die Modalkräfte stellen also gewichtete Kombinationen der Meßwerte dar, wobei die Kombinationen entweder positive oder negative Werte der gemessenen Eingangssignale enthalten, je nachdem, ob sich die Kräfte entsprechend der angepaßten Vorzeichenübereinkunft in Figur 1 bis 4 positiv oder negativ zu den entsprechenden Modalkräften überlagern.
Zweifellos ist das Steuersystem entsprechend der Erfindung sehr vielseitig, da das Fahrzeug durch Justieren der verschiedenen Wichtungsfaktoren in den Gleichungen 1 bis 4, zum Beispiel mit Hilfe einer Eingabetastatur für den Mikroprozessor 60, dazu veranlaßt werden kann, auf jede Modalkraft in einer vorgegeben Weise zu reagieren. Auf diese Weise läßt sich die Aufhängung zum Beispiel so einrichten, daß sie gegenüber Nickkräften steif gegenüber Hebe- und Senkkräften jedoch weich reagiert.
Die generalisierten Modalkraftwerte, die durch die Gleichungen 1 bis 4 gegeben sind, berücksichtigen nicht die nichtgemessenen Kräfte am Fahrzeug, wie die Kräfte, die über Kraftwege, welche nicht über die verschiedenen Meßwertaufnehmer laufen, auf den Fahrzeugkörper übertragen werden. Diese Kräfte ergeben keine reinen modalen Verschiebungen, und um sie zu berücksichtigen, müssen auch ihre Wirkungen hinsichtlich einer Querkopplung zwischen den modalen Verschiebungen einbezogen werden.
Die normalerweise verwendeten Gestänge zum Verbinden der Rad-/Radnabenanordnungen mit dem Fahrzeugkörper sind nicht ideal aufgebaut, und deshalb wird ein Teil der Kraft, die der ungefederten Masse entgegenwirkt, anstatt über die Feder und Stellglieder über das Gestänge direkt auf den Fahrzeugkörper übertragen. Es ist notwendig, diese ungemessenen Kräfte bei der Arbeit des aktiven Aufhängungssystem zu kompensieren.
Außerdem zielt man auf ein aktives Aufhängungssystem, bei welchem Kraf tmeßdosen nur die Kräfte auf die Stellglieder messen, nicht aber die Kräfte, die über die Federn auf das Fahrzeug übertragen werden. In diesem Fall stellen die Kräfte, die durch die Federn ausgeübt werden, natürlich ungemessene Kräfte dar, und müssen daher einbezogen werden.
Der Mikroprozessor 60 kann also modifizierte Werte der Modalkräfte wie folgt:
Hf' = 1 / 65536 [Hf*65536+2*KHHs*Hx+2*KHps*Px] ... (5)
Pf' = 1 / 65536 [Pf*65536+2*KPPS*Px+2*KPHs*Hx] ... (6)
Rf' = 1 / 65536 [Rf*65536+2*KRRs*Rx+2*KRWs*Wx] ... (7)
Wf' = 1 / 65536 [Wf*65536+2*WCnx(+/-) *Snx+WcDr*Dr+ 2* (KWWs*Wx+KWRs*Rx)] ... (8)
Wobei:
Hf' = die modifizierte generalisierte Hebe-/Senkkraft
KHHs = die Änderung der Hebe-/Senkfederlast pro Verschiebungseinheit in Hebe-/Senkrichtung
KHPs = die Änderung der Hebe-/Senkfederlast pro Verschiebungseinheit in Nickrichtung
Hx = der Hebe-/Senkverschiebungswert
Px = der Nickverschiebungswert
Pf' = die modifizierte generalisierte Nickkraft
KPPs = die Änderung der Nickfederlast pro Verschiebungseinheit in Nickrichtung
KPHs = die Änderung der Nickfederlast pro Verschiebungseinheit in Hebe- /Senkrichtung
Rf' = die modifizierte generalisierte Rollkraft
KRRs = die Änderung der Rollkraft pro Verschiebungseinheit in Rollrichtung
KRWs = die Änderung der Rollkraft pro Verschiebungseinheit in Verwindungsrichtung
Rx = der Rollverschiebungswert
Wx = der Verwindungsverschiebungswert
Wf' = die modifizierte generalisierte Verwindungskraft
Wcnx(+/-) = der Kompensationsfaktor für die Verwindungsbeschleunigung
Mxn = die gewichtete Längsbeschleunigung
WCDr = der Kompensationsfaktor für die Gierbeschleunigung bei der Verwindung
Dr = die geschätzte Gierbeschleunigung
KWWs = die Änderung der Verwindungskraft pro Verschiebungseinheit in Verwindungsrichtung
KWRs = die Änderung der Verwindungskraft pro Verschiebungseinheit in Nickrichtung darstellen.
Die modalen Verschiebungswerte (Hx, Px, Rx und Wx) werden durch den Mikroprozessor 60 aus den gemessenen Stellgliedverschiebungswerten (X1 .... X4) berechnet. Der geschätzte
Wert (Dr) der Gierbeschleunigung wird aus dem Gierratenmeßwert berechnet, auf den weiter oben Bezug genommen wurde.
Der Mikroprozessor 60 verwendet die folgenden Gleichungen, um die modalen Verschiebungswerte zu isolieren:
Hx = 4 / 65536 * [Vrf(X1+X2) + Vrr (X3+X4)] ... (9)
Px = 4 / 65536 * [Vrf(X1+X2) - Vrr (X3+X4)] ... (10)
Rx = 4 / 65536 * [Vrf(X1+X2) + Vrr (X3-X4)] ... (11)
Wx = 4 / 65536 * [Vrf(X1-X2) - Vrr (X3-X4)] ... (12)
Wobei:
Vrf = das vordere geometrische Geschwindigkeits-Verhältnis multipliziert mit der Stellgliedkonstante LVIT
Vrr = das hintere geometrische Geschwindigkeits-Verhältnis multipliziert mit der Stellgliedkonstante LVIT, und
X1 ... X4 = die gemessenen Stellgliedverschiebungen darstellen.
Die Ausdrücke KHHs, KPPs, KRRs und KWWs in den Gleichungen (5) bis (8) stellen die reinen Modalkräfte dar, die sich aus den ungemessenen Fahrzeugkräften ergeben; sie werden in dem Mikroprozessor als Parameter übergeben. Die Werte der Parameter lassen sich ermitteln, indem das Fahrzeug bei ausgeschaltetem Steuersystem gemäß Erfindung getestet wird.
Die Werte der Parameter sind von der Geometrie des verwendeten Aufhängegestänges abhängig. Die Parameter lassen sich feststellen, indem man mit einem Fahrzeug, das ein aktives Aufhängungssystem verwendet, auf einer glatten Oberfläche eine Reihe von Manövern ausführt. Alternativ kann ein Algorithmus abgeleitet werden, um die Parameter festzulegen, oder die Parameter können aus der genauen geometrischen Anordnung der Aufhängegestänge berechnet werden.
Wenn die Kräfte, die über die Federn auf den Fahrzeugkörper übertragen werden, nicht direkt gemessen werden, stellen sie ungemessene Kräfte dar und müssen abgeschätzt werden.
Die Werte der Koeffizienten, die in die Abschätzung der durch die Federn übertragenen Kräfte einbezogen werden, lassen sich ermitteln, indem die Höhe des Fahrzeuges über dem Boden gleichmäßig über den gesamten Stellweg der Stellglieder verändert wird, wobei die Koeffizienten so gewählt werden, daß sich der korrigierte Modalkraf tvektor nicht mit der Stellgliedposition ändert. Es ist wichtig, daß während dieses Vorganges lediglich eine Hebe-/Senkverschiebung stattfinden und daß die Änderungen ruckfrei und langsam erfolgen, so daß keine vertikalen Trägheitskräfte erzeugt werden.
Die Ausdrücke KHPs, KPHs, KRWs und KWRs sind ein Maß für die Querkopplungseffekte zwischen den Modalkräften, die durch die ungemessenen Fahrzeugkräften hervorgerufen werden. Aus diesen Ausdrücken, welche ebenfalls dem Mikroprozessor 60 als Parameter zugeführt werden, wird zum Beispiel deutlich, daß die modifizierte Rollkraft Rf' eine reine modale Rollkraft (2*KRRs*Rx) enthält, die von den ungemessenen Fahrzeugfederkräften herrührt, und eine Kraft (2*KRWs*Wx), die aus dem Verwindungsmodus guergekoppelt ist, d.h. die sich auf Grund einer Verschiebung im Verwindungsmodus, hervorgerufen durch ungemessene Fahrzeugfederkräfte im Rollmodus bemerkbar macht. Der Querkopplungseffekt einer bestimmten modalen Verschiebung auf die Kraft, die einer anderen modalen Richtung zugeordnet ist, wurde experimentell bestimmt. Die Erfahrungen haben zum Beispiel gezeigt, daß eine Verschiebung des Fahrzeugkörpers in Rollrichtung nicht nur den Wert der Rollkraft verändert, sondern infolge des hier dargestellten Querkopplungseffektes auch den Wert der Verwindungskraft. Die gleichen Gesichtspunkte gelten für die anderen Verschiebungsarten, woraus sich die obigen Gleichungen (5) bis (8) ergeben.
Die Ausdrücke WXCnx und WCDr geben an, daß das Steuersystem entsprechend der Erfindung sowohl die modalen Verwindungskräfte berücksichtigt, die durch den Längsbeschleunigungswert (Snx) verursacht werden, der mit dem Beschleunigungsmesser 65 gemessen wird, als auch durch die Gierbeschleunigung, die mit dem Gyroskop 66 gemessenen Gierrate errechnet wird.
Aus den modifizierten Modalkräften Hf', Pf', Rf' und Wf' kann der Mikroprozessor 60 weiterhin einen Sollwert für das Stellglied 31 berechnen, der durch die Hydraulikschaltung 50 realisiert wird, um die stationäre Krafteinwirkung auf die gefederte Fahrzeugmasse 20 konstant zu halten und die Übertragung dynamischer Kräfte erheblich zu reduzieren. Es ist unter Verwendung des erf indungsgemäßen Steuersystems theoretisch möglich, keine dynamische Kraft auf den Fahrzeugkörper zu übertragen, dies hätte jedoch den Effekt, daß eine Nulldämpfung in das Aufhängungssystem eingeführt wird. Das ist zweifellos im Hinblick auf das Fahrverhalten des Fahrzeuges unerwünscht, und das Steuersystem wird deshalb so eingestellt, daß dem Aufhängungssystem ein angemessenes Dämpfungsverhältnis verliehen wird, indem begrenzte dynamische Kräfte auf den Fahrzeugkörper übertragen werden.
Zusätzlich läßt sich das Signal vom Radnabenbeschleunigungsmesser 61 benutzen, um die scheinbare Masse der Rad/Radnabenanordnung zu verändern. Da es zum Beispiel bei der Anordnung nach Figur 5 stets vorteilhaft ist, den durch Beschleunigungen der Rad-/Radnabenanordnung verursachten Beitrag zu der durch die Kraftmeßdose 32 gemessenen Kraft zu bestimmen, könnte man das Signal vom Beschleunigungsmesser 61 in einer zusätzlichen Vorwärtsregelschleife verarbeiten, deren Ausgangssignal zur Sollgröße des Stellgliedes 31 addiert wird. Das Ausgangssignal der Vorwärtsregelschleife kann modifiziert werden, so daß es einen Teil des Signals vom Beschleunigungsmesser enthält, wodurch sich die Masse der Rad-/Radnabenanordnung an dem Punkt, an dem das Ausgangssignal der Vorwärtsregelschleife zur Stellgröße des Stellgliedes 31 addiert wird, scheinbar verändert.
Der Vorteil dieser zusätzlichen Verarbeitung des Signals vom Beschleunigungsmesser 61 besteht in der Möglichkeit, das zusammengesetzte Ausgangssignal für das Stellglied 31 so zu gestalten, daß es nicht nur den Teil der Kraft enthält, die von der tatsächlichen Beschleunigung der Rad/Radnabenanordnung herrührt und gemessen wird, sondern auch ein zusätzliches Signal, das einem Faktor ihrer Masse entspricht. Das letztere Signal kann bei geeigneter Programmierung des Mikroprozessors 60 unabhängig vom ersten Signal eingestellt werden, so daß zum Beispiel die Kräfte, die durch die scheinbare Masse einer Rad-/Radnabenanordnung verursacht werden, und die Eigenfrequenz der Masse einer anderen Rad-/Radnabenanordnung im Mikroprozessor 60 aus dem Signal eines einzigen Beschleunigungsmessers, der die vertikale Beschleunigung einer Rad-/Radnabenanordnung konstanter Masse mißt, berechnet werden können.
Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft, da es im allgemeinen erforderlich ist, hinsichtlich der auf den Fahrzeugkörper übertragenen Kräfte die gesamte Masse der Rad-/Radnabenanordnung zu berücksichtigen, während man gleichzeitig die scheinbare Eigenfrequenz der Rad/Radnabenanordnung verändern möchte, um Resonanzerscheinungen zu verhindern, die bei der Reaktion des Systems unter bestimmten Bedingungen auftreten können. Wenn sich die Eigenfreguenz der Rad-/Radnabenanordnung, von der Warte des Stellgliedes aus gesehen, so einstellen läßt, daß sie außerhalb des Frequenzbereiches des Ausgangssignals liegt, kann die Rad-/Radnabenanordnung durch das Ausgangssignal des Systems nicht zu Resonanzschwingungen angeregt werden.
Wenn das Motorfahrzeug in Bewegung ist, ändern sich sowohl die stationären als auch die dynamischen Kraftwerte sehr schnell, so daß der Mikroprozessor 60 in der Lage sein muß, die Signale von den verschiedenen Meßwertaufnehmern hinreichend schnell nacheinander abzutasten, damit das Stellglied die Lage des Fahrzeuges wirkungsvoll steuern beziehungsweise korrigieren kann.
Das erfindungsgemäße Steuersystem ist sehr vielseitig, da jeder der Parameter, der hier als Eingangssignal für den Mikroprozessor 60 beschrieben wurde, verändert werden kann.
Auf diese Weise kann das gesamte Straßenverhalten des Fahrzeuges an spezielle Anforderungen angepaßt werden, und es kann so eingestellt werden, daß zu jeder Zeit während des Betriebes des Fahrzeuges optimale Bedingungen für das Fahren und den Umgang mit dem Fahrzeug herrschen.

Claims

1. Steuersystem für das Aufhängungssystems eines Landfahrzeugs, welches ein Aufhängungsgestänge zwischen einer gefederten Masse (20) und mindestens einer ungefederten Masse (40) des Fahrzeugs sowie ein zwischen der gefederten Masse (20) und der ungefederten Masse (40) wirkendes aktives Abstützglied (31) aufweist, wobei das Steuersystem umfaßt

Mittel (32) zum Messen der von dem aktiven Abstützglied (31) auf das Fahrzeug übertragenen Kräfte und zur Erzeugung von den gemessenen Kraftwerten proportionalen Kraftmeßsignalen;

Mittel (60) zum Modifizieren der Kraftmeßsignale zur Berücksichtigung von ungemessenen Kräften, die zwischen der gefederten Masse (20) und der ungefederten Masse (40) auf Kraftwegen wirken, in denen die Mittel (32) zum Messen der von dem aktiven Abstützglied (31) übertragenen Kräfte nicht enthalten sind; und

Mittel (50, 60) zum Steuern der aktiven Abstützeinrichtung (31) derart, daß sie Kräfte zum Steuern der Lage des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den modifizierten Signalen aufbringt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (60) zum Modifizieren der Kraftmeßsignale die Kraftmeßsignale derart modifiziert, daß ungemessene Kräfte, die über Kraftwege in dem Aufhängungsgestänge wirken, berücksichtigt werden.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, für ein Aufhängungssystems eines Landfahrzeuges, welches ein Auf hängungsgestänge zwischen einer gefederten Masse (20) und mindestens einer ungefederten Masse des Fahrzeugs, ein zwischen der ungefederten Masse (4) und der gefederten Masse (20) wirkendes Abstützungsglied (31) sowie eine zwischen der ungefederten Masse (40) und der gefederten Masse (20) wirkende Federanordnung (34) aufweist, wobei das Steuersystem Mittel zum Modifizieren der Kraftmeßsignale aufweist, die zusätzlich ungemessene Kräfte, die über Kraftwege in der Federanordnung (34) wirken, berücksichtigt.

3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel (60) zum Modifizieren der Kraftmeßsignale die Signale derart modifizieren, daß Anteile der gemessenen Kräfte, die nicht von Bewegungen der ungefederten Massen (40) verursacht werden, kompensiert werden.

4. Steuersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel (60) zum Modifizieren der Kraftmeßsignale Mittel zum Auf lösen der Signale aufweisen zur Darstellung einer Vielzahl von modalen Kräften, die auf die gefederte Masse (20) des Fahrzeugs einwirken.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, wobei die modalen Kräfte modale Hub-, Stampf-, Roll-, und Gierkräfte sind.

6. Kräfte nach Anspruch 4 oder 5, wobei die die modalen Kräfte darstellenden Signale modifiziert werden durch Addition von Faktoren, die die Effekte der ungemessenen Kräfte der jeweils gleichen Moden repräsentieren.

7. Steuersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die die modalen Kräfte darstellenden Signale modifiziert werden durch Addition von Faktoren, die die Effekte von ungemessenen Kräften von jeweils unterschiedlichen Moden repräsentieren.

8. Steuersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede ungefilterte Masse (4) des Fahrzeugs eine Rad-, Naben- und Reifeneinheit ist und die gefederte Masse (20) des Fahrzeugs im wesentlichen aus dem Rest der Fahrzeugmasse besteht.

9. Steuersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit Mitteln (6) zum Messen der Vertikalbeschleunigung der ungefederten Massen (40) des Fahrzeugs und zur Erzeugung eines Beschleunigungssignals der ungefederten Masse proportional zu der gemessen Beschleunigung; Mitteln (60) zum Modifizieren des Beschleunigungssignals der ungefederten Masse zur Verstärkung oder Abschwächung des Grades, in dem das Signal von der Größe der ungefederten Masse (40) abhängig ist; wobei das auf die ungefilterte Masse wirkende aktive Abstützglied so gesteuert wird, daß es Kräfte aufbringt, um die Lage des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem modifizierten Beschleunigungssignal der ungefederten Masse zu steuern.

10. Steuersystem nach Anspruch 9, bei dem die Mittel (60) zum Modifizieren des Beschleunigungssignals der ungefederten Masse das Signal unabhängig von den anderen Signalen in dem Steuersystem modifizieren kann.